Estudo de multicamadas com anisotropia magnética perpendicular e sua aplicação em dispositivos emissores de luz polarizada em Spin : Spin-LED e VCSEl

Abstract

Resumo: A detecção eletrônica eficaz de corrente polarizada em spin se mantém um importante desafio na spintrônica com semicondutores. Dentre as estratégias de abordagem desse tema se destaca a utilização da detecção óptica das correntes polarizadas em spin através de dispositivos emissores de luz com estrutura diodo, denominados Spin-LED. De acordo com as regras de seleção ópticas, a eficiência da emissão de luz polarizada nesses dispositivos depende da magnetização do eletrodo ferromagnético injetor ser paralela ao eixo de quantização do poço quântico imerso no diodo formador do dispositivo. Neste trabalho é descrito e discutido o desenvolvimento de um dispositivo emissor de luz na faixa do infravermelho próximo fabricado a partir de uma heteroestrutura semicondutora do tipo GaAs/AlGaAs, cuja operação dispensa a necessidade de aplicação de um campo magnético externo. Isso foi obtido através da otimização do estado remanente de um eletrodo ferromagnético injetor com anisotropia magnética perpendicular. Os eletrodos ferromagnéticos foram desenvolvidos utilizando a técnica de pulverização catódica. Eles consistem de sistemas de multicamadas Co/Ni, Co/Pt e CoFeB/Pt, integrados à heteroestrutura semicondutora através de uma camada de MgO que atua como uma barreira túnel entre o ferromagneto e o semicondutor. Um estudo preliminar foi realizado para obter multicamadas constituídas de bicamadas formadas por Co ou CoFeB e um metal Ni ou Pt, com espessuras x e y, respectivamente, repetidas Z vezes. Esses estudos foram realizados sobre substratos de SiO2 amorfo recobertos por uma camada buffer de Pt de 20 nm de espessura. Para se obter a anisotropia magnética perpendicular foram variadas as espessuras x e y das camadas, bem como o número de repetições Z. A caracterização magnética foi realizada através de microscopia de força magnética, magnetometria de gradiente de força alternante e magnetometria SQUID. Análises de microscopia eletrônica de transmissão em seção transversal foram usadas para calibrar as espessuras e confirmar a modulação química dos depósitos nas multicamadas. Esses resultados experimentais não indicam a formação de ligas nas interfaces. Diversas espessuras da camada buffer e tipos diferentes de substratos foram usados tendo em vista a obtenção de propriedades físicas favoráveis a maior eficiência dos dispositivos Spin-LED. Dispositivos completos foram fabricados usando multicamadas Co/Pt com camadas buffer de Pt de 0,4 e 0,6 nm de espessura. Medidas de eletroluminescência revelaram que dispositivos com camada buffer de Pt com 0,4 nm de espessura apresentam uma emissão com polarização da luz de aproximadamente 1,5 %, com a aplicação de um campo magnético de 500 Oe, à temperatura de 20 K. Os dispositivos com camadas buffer de Pt com espessura de 0,6 nm não apresentaram polarização da luz, provavelmente devido à camada de Pt não estar totalmente polarizada magneticamente. Dispositivos com uma fina camada de Fe de 0,3 nm de espessura entre a camada de MgO e a camada buffer de Pt de 0,6 nm exibiram anisotropia perperpendicular ao plano e apresentam uma polarização da luz de 3,5 % sem a aplicação de campo magnético externo, à temperatura de 20 K, mostrando a possibilidade de se fabricar dispositivos Spin-LED sem a aplicação de um campo magnético externo. Os resultados deste trabalho mostram também que, além dos dispositivos Spin-LED, dispositivos como o VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers) podem ser desenvolvidos, abrindo um leque para outras aplicações tecnológicas.

Abstract: The efficient detection of a spin polarized current injected into semiconductors is presently one of the great challenges in spintronics. One way to attack this subject is the usage of optical detection for example through Spin-LED devices. According to the spectroscopic selection rules, the spin injection must occur from a planar electrode with outof- plane magnetization to connect the light circular polarization with the spin polarized current. In this work, we describe the development of a near-infrared Spin-LED device, based on AlGaAs/GaAs semiconductors, whose operation does not require the application of an external magnetic field. This was attained from the spin injection by ferromagnetic electrodes with perpendicular magnetic anisotropy, which are integrated to the semiconductor structure through a MgO tunnel barrier layer. Ferromagnetic electrodes consisting of Co/Ni, Co/Pt and CoFeB/Pt multilayers were developed using a magnetron sputtering deposition system. Preliminary studies were developed by growing the multilayers onto amorphous SiO2 substrates using a 20nm-thick Pt buffer layer. 10nm-thick Au capping layer was used to protect the structures during ex situ analyses. The multilayers were fabricated by alternating deposition layers of Co or CoFeB and Ni or Pt a certain number of times. In order to obtain the higher as possible out-of-plane remanent magnetization, the thicknesses of individual layers of the bilayers as well as their repetition number were varied. Magnetic characterizations were performed by using an alternating gradient force magnetometer, cross-checked by a SQUID magnetometer. The crystalline structure and texture were investigated by transmission electron microscopy analyses, which have also confirmed the layer thicknesses and periodicity of the chemical modulation with no evidences of alloys formation. Both the total thickness of the multilayer and thickness of Pt buffer layer were varied, but kept as thinnest as possible. The first, to allow passage polarized light generated in the cavity semiconductor device and the second because Pt tends to inhibit the spin polarization of the electrical current injected into the semiconductor. Prototypes of Spin-LED devices were made with Co/Pt multilayers exhibiting perpendicular magnetic anisotropy with Pt buffer layers with thicknesses of 0,4 and 0,6 nm. Polarizationresolved electroluminescence experiments were carried out as a function of the temperature. For Pt buffer layer of 0,4 nm, a polarization light ratio of 1,5 % was obtained. No polarization was found for devices with Pt buffer layer of 0,6 nm. These results imply that a ferromagnetic interface between injector/tunnel barrier is crucial to attain an efficient electrical injection of spin. Another device was made with a 0.3nm-thick Fe layer placed between the Pt 0,6 nm buffer layer and the MgO tunnel barrier. A polarization light ratio of 3,5 % was then obtained, demonstrating the feasibility to fabricate Spin-LED devices without applying an external magnetic field. The results of this work encourage the developement of others interesting devices such as vertical-cavity surface-emitting lasers that have a broader range of technological applications.